Blog

hvid

Ristefyring – del 1

Ristefyrede anlæg har en stor brændselsfleksibilitet men giver også store udfordringer, når der skal laves forbedringer. I Added Values har vi gennemført mange praktiske forbedringer med meget korte tilbagebetalingstider på flere af denne type anlæg. Vi må dog også konstatere, at der hele tiden bliver ved med at være forbedringsmuligheder og derfor sover vores proces- og reguleringsspecialister stadig ikke helt trygt om natten. Dette er det første af to blogindlæg, som indeholder både en introduktion for ikke-eksperter og en præsentation af nogle lovende resultater fra et nyligt gennemført udviklingsprojekt.

På de store kraftvarmeværker brænder man brændslet (f.eks. træpiller eller kul) i suspension— dvs. man pulveriserer det, blæser det ind i kedlen og lader det udbrænde, mens det hænger i luften (suspenderet). Og man ved, at det udbrænder stort set med det samme (kort opholdstid). Selvom suspensionsfyring også har sine udfordringer, er det reguleringsmæssigt simpelt.

På små og mellemstore kraftvarmeværker, hvor man typisk brænder husholdningsaffald eller biomasse, sker forbrændingen på en rist, hvor brændslet tørres, afgasses og udbrændes over flere minutter. Afhængigt af brændslets fugtindhold, brændværdi og ensartethed sker forbrændingsprocessen forskelligt. Et sammenrullet tæppe af kunststof (plastic) brænder eksempelvis megetbedre end en motorblok — ja, vi har faktisk kunder, som har haft en motorblok gennem deres affaldsovn. På samme måde brænder en tør halmballe anderledes end en våd halmballe.

Producenterne af forbrændingsristeindlægger har naturligvis forskellige margener i designet af en rist, så mindre variationer i brændslet ikke reducerer anlæggets ydelse. Dén margin har mange af vores kunder dog fået øje på og udnyttet for, at øge kapaciteten på deres anlæg og dermed deres indtjening. Det stiller skrappe krav til kedelreguleringen, som ofte kræver en opgradering, når anlægskapaciteten skal udvides. Det er i øvrigt én af de ydelser, som Added Values tilbyder.

I 2017 fik vi mulighed for at lave et udviklingsprojekt sammen med en svensk samarbejdspartner, Modelon AB. Projektet blev finansieret af svenske, Energiforskog skulle understøtte, Added Values’ praktiske erfaring med risteforbrænding ved at udvikle en soft-sensor, som kan forbedre reguleringen af ristefyrede anlæg — uden at kunderne skal installere bekosteligt måleudstyr.

I dette blogindlæg vil vi fortælle om nogle af de udfordringer, der ligger i risteforbrænding og i et opfølgende blogindlæg (del 2) vil vi gå mere i dybden med resultaterne fra udviklingsprojektet.

Risteforbrændingens genvordigheder

For at svare på hvorfor ristefyring er udfordrende, skal vi dykke lidt ned i, hvordan forbrændingen på en rist foregår og hvordan man regulerer den.

Figur 1 viser en skitse af risteforbrænding, som den bør se ud.

Figur 1— skitse af risteforbrænding som den bør se ud.

Brændslet — f.eks. oprevet halm — skubbes ind på risten fra venstre side og bevæger sig langsomt ned ad risten mod slaggefaldet. Før brændslet når slaggefaldet, skal det være udbrændt, så det kun er aske, der ryger ned i slaggefaldet. Udbrændingszonen(flammefronten) skal helst være lige før slaggefaldet, så risten udnyttes optimalt. For at begrænse NOX-dannelse tilsættes luften ad flere omgange. På tegningen tilsættes der risteluft (primærluft) og sekundærluft. Risteluften har til formål at tørre brændslet og skabe en understøkiometrisk forbrænding — dvs. en ufuldstændig forbrænding med underskud af ilt. Den resterende, overstøkiometriske forbrænding sker ved at tilsætte sekundærluften over ristelaget.

Noget at det, man gerne vil undgå ved risteforbrænding, er “tømning” og “overfyldning” af risten. Figur 2a viser en “tom” rist. Når risten “tømmes” blotlægges en stor del af risten og den stærke strålevarme fra fyrrummet skaber en unødig termisk belastning af ristens metal — brændsels- og askelaget på risten fungerer nemlig også som beskyttelse af risten. Da en tom rist er en konsekvens af for lidt brændsel og for meget risteluft, vil der også ske en fuldstændig (overstøkiometrisk) forbrænding på risten. Det giver en høj forbrændingstemperatur og danner meget termisk NOX.

(a)                                                                                               (b)

 

Figur 2— ved risteforbrænding vil man helst undgå at tømme (a) og overfylde (b) risten.

Hvis risten derimod “overfyldes” (figur 2b), vælter der uforbrændt brændsel ned i slaggefaldet. Udover at der er dårlig driftsøkonomi i at smide uforbrændt brændsel væk, kan det også starte en brand i asketransportsystemet. En overfyldt rist er en konsekvens af, at der er for meget brændsel og for lidt risteluft.

Da sekundærluften stort set ikke påvirker flammefrontennede på risten, vil vi ikke sige ret meget mere om den. Det besværlige ligger nemlig i at holde ristelaget og flammefronten konstant, når brændslet og kedellasten varierer.

Hvordan regulerer man en risteforbrænding?

For at kunne regulere ristelaget er der tre vigtige styresignaler, som reguleringen kan påvirke processen med. Det er

  • Brændselsmængden — dvs. flowet af brændsel, som skubbes ind på risten.
  • Risteluftmængden — dvs. hvor stort luftflow der tilføres op igennem risten
  • Ristehastigheden — dvs. hvor hurtigt brændslet flyttes nedad mod slaggefaldet

Kedlens feedback-reguleringen kombinerer de tre styresignaler for i sidste ende at regulere damptryk eller -produktion.

Reguleringsudfordringer

Når en risteforbrænding skal reguleres, er det særlig vigtigt at kende processens dynamiske egenskaber. De fleste andre processer, vi beskæftiger os med, er stabile— dvs. hvis man sætter dem i drift og deaktiverer deres feedback-regulering, vil de finde en naturlig stabil tilstand. Tænk f.eks. på en kugle i en skål (figur 3øverst). Hvis man flytter den lidt op ad skålens side, vil den selv finde tilbage til bunden af skålen efter et par udsving. Ustabilitet kan derimod betragtes som en bold, der balancerer på en bakketop (figur 3nederst). Hvis man flytter den lidt væk fra toppen, vil den ikkefinde tilbage til sit udgangspunkt men i stedet trille nedad.

Figur 3 — stabile og ustabile systemer

Forbrændingen på en rist vil opføre sig ustabilt. Det betyder i praksis, at hvis der ikke er et nøje afstemt forhold mellem ristehastighed, brændsels- og luftmængde, så vil man ende med enten en tom eller en overfyldt rist. Hvis vi lige tænker på bakketoppen igen, så kan man selvfølgelig argumentere for, at en tom rist eren stabil (men uønsket) tilstand.

Når brændslets fugtighed og brændværdi hele tiden varierer, betyder det, at reguleringen konstant er på arbejde for at balancere de tre styresignaler korrekt for at stabilisere forbrændingsprocessen.

Problemet er imidlertid ikke, at regulatoren har travlt — det er derimod, at den kører i blinde. Det er nemlig sjældent, at ristefyrede kedler har en målingaf flammefronten, som reguleringen kan bruge til at justere luft og brændsel efter. Der findes dog kommercielt måleudstyr, som kan bestemme flammefronten med et kamera, men det er dyrt at installere. Så den eneste information, man har om ristelaget eller flammefronten, er, når man kigger gennem kedlens skueglas, eller når noget er gået galt.

Når vi idriftsætter eller justerer en forbrændingsregulering uden måling af flammefronten, er det tit med en blanding af praktisk erfaring, kvalificerede gæt og et drys magi — og der skal tit bygges lappeløsninger på konceptet for at tage hånd om specielle situationer.

Dét er på mange måder besværligt at have med at gøre og det er meget svært at disponere tiden frem mod en god forbrændingsregulering, da det kræver mange praktiske forsøg. Derfor har vi længe gået og ønsket os at blive klogere på, hvordan forskellige kombinationer af styresignaler, brændselsbeskaffenhed og ristelag påvirker processens dynamiske respons. For at kunne det skal vi lave en simuleringsmodel af processen, som giver os mulighed for at eksperimentere med de forskellige kombinationer uden at forstyrre den daglige drift.

Hold øje med Added Values’ blog: inden længe kan du læse del 2 af vores blogindlæg om risteforbrænding, hvor vi vil fortælle om det svenske udviklingsprojekt. Her har vi blandt andet udviklet et modelbibliotek i simuleringssproget Modelica, som gør det muligt at simulere en risteforbrænding. Vi har også designet en soft-sensor, derkan estimere flammefronten ud fra eksisterende målinger og som kan bruges til at forbedre kedelreguleringen.

 

Udgivet: 2018/06/20

 

 

Rene Just Nielsen har arbejdet hos Added Values siden sommeren 2013 og er uddannet civilingeniør med speciale i procesregulering fra Aalborg Universitet i 2004. Rene arbejder både med praktisk regulering ude hos vores kunder og med udviklingstunge projekter. Rene brænder for matematisk modellering og simulering i sproget Modelica.

 

Kasper Vinther kom til Added Values i foråret 2017 efter at have arbejdet i sektionen for Automation og Kontrol på Aalborg Universitet som post doc. Kasper er uddannet civilingeniør med speciale i intelligente autonome systemer og har efterfølgende lavet et Ph.D. projekt i samarbejde med Danfoss. Kaspers kompetencer spænder fra modellering og simulering af dynamiske systemer til analyse og design af regulerings/optimerings-koncepter.

Har vi fanget din interesse?

Har du spørgsmål, eller blot lyst til at høre mere, så tøv ikke med at kontakte os.


Kontakt Added Values
close-link